基于C4KISR的网络瞄准系统体系结构研究

2012-08-27李相民黎子芬代进进张凤霞

电光与控制 2012年1期

李相民，黎子芬，代进进，张凤霞

(1.海军航空工程学院，山东烟台 264001; 2.光电控制技术重点实验室，河南洛阳 471009)

0 引言

网络瞄准技术是美军针对现有的武器装备和技术在打击地面活动目标(时间敏感性目标)时，能力方面存在实时性差、精度不高、易造成附带损伤、己方人员易遭攻击、作战费用高等问题而提出的［1］。在文献［2－3］中，也将其称为“网络中心制导技术”。

将过程、系统、技术、战术结合起来通盘考虑，并将这种在侦察、指控、处理、传输与打击之间实现深层次互联的方式称为“网络瞄准”［4］。网络瞄准技术利用广域空间内的多种传感器和武器，通过战术数据链形成传感器—传感器和传感器—武器之间的通信网络，对时间敏感的、机动或移动目标进行快速地发现、识别、跟踪、定位和精确打击。在网络瞄准体系中，通过一体化的传感器指挥控制，使地域分散的多个传感器协同工作，生成精确的目标瞄准信息，然后将信息直接发送给网络化武器，在武器飞向目标途中，瞄准信息将不断更新，从而确保精确打击。

C4KISR系统是以信息网格为中心构建的指挥控制系统，是指控系统与火控系统一体化发展的产物。“网络瞄准”是美军为实现C4KISR而重点开发的技术［5－6］。

1 作战想定

基本作战想定:以基于预警机和干扰机的编队对地协同攻击C4KISR系统为战场环境假设。在所假设的作战环境中，主要的作战子单元包括空间卫星、空基及地基等传感器系统、空中指挥所、攻击机、空地反辐射导弹、干扰机、地面指挥所、地面雷达站、地空导弹阵地、地空导弹等。在空对地作战中，网络瞄准技术能有效增大防区外的发射距离，减少为摧毁目标所需要的飞机出动架次，因此可以最大程度地减少对机组人员和设备的损伤，同时也就降低了附带损伤和意外伤害［7］。

2 基于C4KISR的网络瞄准系统设计的基本原则

基于C4KISR网络瞄准系统的基本设计原则如下。

1)扁平化的信息共享结构。

信息共享结构是网络瞄准系统的潜力得以发挥的基础。在基于C4KISR的网络瞄准系统中，各功能节点之间的信息传输是通过网络实现的。尽量减少节点之间信息共享的层次，可以有效缩短系统的反应时间，提高作战效率。在探测系统、指挥控制系统和武器系统之间直接实现信息共享，提高战术层指控节点的权限，尽量减少需要越级处理的情况，实现信息共享的扁平化。

2)实现“集中指挥”与“分散控制”的平衡。

自“沙漠风暴”以来的几场主要局部战争表明，虽然传感器、武器以及信息交换技术已经取得了很大的进步，同时在一定程度上缩减了杀伤链的执行时间，但所采用的指挥控制方式仍然是造成杀伤链显著延迟的主要因素［8］。图 1［9］所示“沙漠风暴”、“科索沃战争”和“持久自由行动”这3场局部战争中，搜索、定位、识别、决策和攻击5个阶段所构成的杀伤链中各阶段所占用时间比的变化情况。可以看出，随着装备技术的发展，决策阶段所占的时间比重越来越大。

图1 网络瞄准杀伤链中各阶段所占时间比重变化示意图Fig.1 Relative networked targeting timelines in Desert Storm，Allied Force and Enduring Freedom

在基于C4KISR的网络瞄准系统中，各作战节点在地理位置上是分散的，节点之间的指挥关系呈现动态特征。准确把握好“集中指挥”与“分散控制”之间的平衡是发挥网络瞄准系统潜力的关键;过度的“集中”会导致战机延误，并增加潜在的附带损伤，过度的“分散”会增加整个战场中战术错误的风险。合理分配各级决策层的权限，尽量减少决策的层次是缩短导致“决策”时间的有效途径。

3)系统反应时间最小化。

“时延”是实现网络瞄准技术的决定性因素。可以说，针对网络瞄准技术的各方面研究都与传感器—武器循环周期的长短有关。美国空军所提出的目标是:在10 min之内完成从发现到摧毁时间敏感性目标的全过程［10］。系统反应时间存在多方面的影响因素，包括:武器装备的性能、参战人员的综合素质、作战原则、指挥控制方式、通信延迟等。突出发展主要因素，协调多种因素的全面发展，才能有效缩短系统的反应时间。

4)无缝隙、安全可靠的互操作性。

互操作是实现系统间协同的有效形式，它使系统间及时而连贯地实现资源共享［11］。无缝隙的、安全可靠的互操作才能使网络瞄准系统成为一个整体，各分系统之间相互提供一致的服务支持，并有效地协同工作。功能节点之间的信息交互是互操作性的关键。数据是表达信息的媒介。因此，数据属性可理以解为获得系统互操作性最关键的方面［12］。实现数据接口的统一对于基于C4KISR的网络瞄准系统来说是至关重要的，同时也意味着功能节点之间能实现无缝隙的、安全可靠的作战互操作。

5)功能节点之间快速便捷的自组网。

基于C4KISR的网络瞄准作战系统需要较高的灵活性和抗毁性，网络规模也能根据作战任务的需要方便快捷地自由组织。近年来，Ad Hoc网络技术受到了广泛的关注。Ad Hoc网络是一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可通过无线连接构成任意的网络拓扑结构，能够在没有固定基站的地方进行通信［13］。Ad Hoc网络的无中心网络的自组性、动态变化的拓扑结构、网络的分布式控制等特征使之脱颖而出，受到各国军方的广泛关注。美国国防高级研究计划局已于2005年2月公布新的战略规划，其中将Ad Hoc等新型网络技术列为重点研究内容［1］。为了实现各功能节点的自由进出，从而增强作战指挥、情报通信和武器的控制能力，应积极开发灵活组网的数据链技术，为最终实现网络瞄准技术提供保障。

3 基于C4KISR的网络瞄准系统的体系结构及各功能节点的交互关系

3.1 基于C4KISR的网络瞄准系统的逻辑结构模型

图2 网络瞄准系统的逻辑结构模型示意图Fig.2 Logical model of networked targeting system

网络中心战作为一种新的作战概念，在不同背景下的具体实现和应用不尽相同。基于C4KISR的网络瞄准是网络中心战的一种表现形式，如图2所示，关于网络中心战的逻辑模型［14］同样适用于理解基于C4KISR的网络瞄准系统的逻辑结构。

基于C4KISR的网络瞄准系统在逻辑上由信息网格、传感器网格和交战网格3层结构组成。信息网格可以看成是整个系统的后连线板，是传感器网格和交战网格得以充分发挥各自效能的基础。传感器网格可视为安装在信息网格上的传感器外设及应用，它能快速生成整个战场环境的同步态势信息;交战网格可视为在信息网格上进行操作的发射设备及应用，它借助于信息网格，充分利用传感器网格提供的战场态势，使整个系统发挥出更强的作战能力。

网络瞄准系统所具备网络化的作战结构可提高信息共享水平，增强态势感知能力，加快指挥决策速度，实现作战协同，增强响应能力、杀伤能力和生存能力，从而极大提高作战效能，缩短战争进程［15］。

3.2 基于C4KISR网络瞄准系统中各节点之间的交互关系

从功能上，将网络瞄准系统划分为作战决策节点、武器控制节点、制导节点、探测跟踪节点以及武器节点。指控系统是各作战分系统的核心组成部分，为了更清楚地说明网络瞄准系统中各功能节点之间的信息走向关系，将指控网格从图2中的3层网格中独立出来进行分析。图3中，信息网格的作用具体体现在各层网格及功能节点之间的关系上，图中不再作具体演示。

图3 网络瞄准系统中的功能节点关系示意图Fig.3 Relation model of function nodes of networked targeting system

1)传感器网的组成和功能。

传感器网络是整个作战系统的“眼睛”，是发现目标、获取目标信息、进行目标定位的手段。传感器网内的探测跟踪节点还可细分为搜索节点、定位节点和识别节点。这3类节点的关系如图4所示。

图4 传感器网功能节点关系图Fig.4 Relation model of function nodes of sensor grid

在图4中，搜索节点和定位节点的功能可集中于一个传感器中，这两种功能可由这种传感器同时完成，如主动探测器。搜索节点和目标识别节点的功能也可集中于一个传感器中，同样，这两种功能也可由这种传感器同时完成，如无源传感器。最后，将由搜索、识别和定位功能获取的目标数据进行融合，即进行数据融合，从而获得所需要的战场态势信息。传感器网中各节点的功能具体如表1所示。

在所假设的编队对地的作战环境下，对基于C4KISR的网络瞄准系统来说，在获取目标信息的过程中，充分运用天基、空基和地基等多种传感器平台协同工作，不但能在获取移动目标全维信息的同时缩短目标信息的获取时间，而且能克服单个传感器的缺点生成更高精度的数据信息，实现1+1＞2的效果。

2)指挥控制网的组成和功能。

指挥控制网是整个网络瞄准系统的“神经中枢”，是获取战场主动权的重要因素，是传感器网和交战网协调有序运作的支柱。各节点功能具体如表2所示。

在编队对地的网络瞄准系统中，指挥控制网由各级指控中心组成，每个指控中心视为一个指控节点。根据C4KISR系统的“集中指挥，分散控制”的基本原则，将指挥控制网的节点从功能上分为两类:作战决策节点和武器控制节点。作战决策节点侧重于掌握源自于战略、战役和战术侦察卫星、高空侦察机、空中预警系统等分布在全方位的传感器节点获取的总的空情、态势，确定作战原则，分配作战任务。武器控制节点由各攻击机的火控系统组成，主要包括火控计算分系统、空地导弹发射系统等，侧重于作战任务的执行控制。

3)武器网的组成和功能。

在过去的50多年里，制导武器的使用已改变了空地作战的形式［6］。基于 C4KISR的网络瞄准系统中的武器网主要由武器节点组成，即各类型的空地精确制导导弹，其主要功能就是根据制导节点提供的目标瞄准信息与目标交战，直接摧毁敌方目标。

表1 传感器网节点功能Table 1 Function nodes of sensor grid

表2 指控网节点功能Table 2 Function nodes of C2grid

4 基于C4KISR的网络瞄准系统的作战过程

基于C4KISR的网络瞄准系统的作战流程如图5所示。

图5 网络瞄准系统作战过程示意图Fig.5 Operational procedure of networked targeting system

网络瞄准系统的作战过程现在被定义为6个阶段，包括:搜索、定位、跟踪、决策、交战和评估［9，16］。该系统的整个作战过程都是以C2节点的指导和所指定的优先权限为依据。在搜索阶段，目标搜索指示系统在战区内对目标进行搜索、探测。在定位阶段，网络瞄准系统根据搜索阶段提供的信息，聚焦相应的传感器，对可能的目标进行定位和身份识别，并计算有效时间。在跟踪阶段，指派相应的传感器对定位识别阶段确定的时间敏感性目标进行持续跟踪，并再次计算有效时间。在决策阶段，网络瞄准系统对各时间敏感性目标进行拦截适应性检测，威胁评定排序，确定我方可用资源的性能等，根据整个系统的状态进行统一的任务分配和资源配置。在交战阶段，武器控制系统根据所接收到的作战命令，为网络化武器装订发射数据并进行发射，在武器飞向目标的途中，由多个不同视野的传感器协同工作，生成唯一、相关、精确的目标瞄准信息，直接对武器进行精确制导引导武器飞向目标，从而提高打击精度。在评估阶段，首先对打击效果进行评估，并将结果上报给C2节点，为下一步作战行动提供信息支撑。

5 结束语

本文以基于预警机和干扰机的编队对地协同攻击C4KISR系统为战场环境假设，对网络瞄准系统进行了初步探讨，对其体系结构和作战过程进行了初步研究。对于网络瞄准系统来说，该体系结构只是系统结构的一种高层抽象，要真正在空对地作战环境中发挥网络瞄准技术的效能，还有很多问题要进行深入研究，如，空天地一体化的组网技术、多传感器的管理方法、数据链技术等。

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